표면 초전도성은 토폴로지 재료에 나타납니다 – Physics World

독일 IFW 드레스덴에 있는 라이프니츠 고체 및 재료 연구 연구소의 연구원들은 Weyl 반금속으로 알려진 위상학적 물질 종류에서 표면 초전도성에 대한 증거를 발견했습니다. 흥미롭게도, 소위 페르미 아크(Fermi arc)에 갇힌 전자로부터 발생하는 초전도성은 연구 대상 샘플의 상단과 하단 표면에서 약간 다릅니다. 이 현상은 차세대 양자 컴퓨터를 위한 매우 안정적이고 내결함성이 있는 양자 비트를 만들 수 있는 준입자인 마요라나 상태를 생성하는 데 사용될 수 있습니다. 한편 미국 펜실베니아주립대 연구팀은 두 개의 자성물질을 결합해 키랄 위상 초전도체를 제작했다. 마요라나 상태는 이 새로운 자료에서도 발견될 수 있습니다.

토폴로지 절연체는 대량으로 절연되어 있지만 특수한 토폴로지 보호 전자 상태를 통해 가장자리에서 전기를 매우 잘 전도합니다. 이러한 토폴로지 상태는 환경의 변동으로부터 보호되며 그 안의 전자는 후방 산란되지 않습니다. 후방 산란은 전자 제품의 주요 소산 과정이므로 이는 이러한 재료가 미래에 에너지 효율이 높은 전자 장치를 만드는 데 사용될 수 있음을 의미합니다.

웨일 반금속(Weyl semimetals)은 전자 여기가 무질량 웨일 페르미온처럼 행동하는 최근 발견된 위상학적 물질 종류입니다. 1929년 이론 물리학자 헤르만 웨일(Herman Weyl)이 디랙 방정식의 해법으로 처음 예측했습니다. 이들 페르미온은 키랄 자기 효과를 보인다는 점에서 일반 금속이나 반도체의 전자와 상당히 다르게 행동합니다. 이는 Weyl 금속이 자기장에 배치될 때 발생하며, 이는 자기장에 평행 및 역평행으로 이동하는 양극 및 음극 Weyl 입자의 전류를 생성합니다.

Weyl의 이론에 의해 설명될 수 있는 페르미온은 소위 (Weyl) "노드"를 교차하는 선형 전자 에너지 밴드를 갖는 고체의 준입자로 나타날 수 있으며, 벌크 밴드 구조에서 그 존재는 필연적으로 "페르미"의 형성을 동반합니다. 기본적으로 반대 키랄성을 갖는 Weyl 노드의 "돌기" 쌍을 연결하는 표면 밴드 구조의 호"입니다. 각 호는 바닥 표면의 호로 완성된 샘플의 상단 표면에 루프의 절반을 형성합니다.

페르미 아크에 국한된 전자

IFW 드레스덴 연구에서 자세히 설명되어 있습니다. 자연, 가 이끄는 연구팀 세르게이 보리센코 Weyl 반금속 백금-비스무트(PtBi)를 연구했습니다.₂). 이 물질은 표면의 페르미 아크에 제한된 일부 전자를 가지고 있습니다. 결정적으로, 이 물질의 상단과 하단 표면에 있는 아크는 초전도체입니다. 즉, 그곳의 전자가 쌍을 이루어 저항 없이 움직인다는 의미입니다. 연구원들은 페르미 아크에서 초전도성이 관찰된 것은 이번이 처음이며, 금속이 대량으로 남아 있으며 아크가 페르미 표면(점유된 전자와 비어 있는 전자 사이의 경계)에 가깝기 때문에 이러한 효과가 가능하다고 말합니다. 수준) 자체.

연구팀은 각도 분해 광전자 방출 분광법(ARPES)이라는 기술을 사용하여 결과를 얻었습니다. 이것은 레이저 광원이 매우 낮은 온도와 비정상적으로 높은 방출 각도에서 매우 낮은 에너지 광자를 전달하는 복잡한 실험이라고 Borisenko는 설명합니다. 이 빛은 샘플에서 전자를 쫓아낼 만큼 에너지가 강하며, 검출기는 전자가 물질에서 빠져나가는 각도와 에너지를 모두 측정합니다. 결정 내의 전자 구조는 이 정보로부터 재구성될 수 있습니다.

“우리는 PtBi를 연구했습니다₂ 싱크로트론 방사선을 사용하기 전에는 솔직히 말해서 특이한 점을 기대하지 않았습니다.”라고 Borisenko는 말합니다. "그러나 갑자기 우리는 운동량 끝 에너지 측면에서 매우 날카롭고 밝고 고도로 국부적인 특징을 발견했습니다. 결과적으로 고체 광 방출 역사상 가장 좁은 피크를 발견했습니다."

측정에서 연구원들은 또한 페르미 아크 내에서 초전도 에너지 갭이 열리는 것을 관찰했습니다. 이 호들만이 간격의 징후를 보였기 때문에 이는 초전도성이 샘플의 상단과 하단 표면에 완전히 국한되어 일종의 초전도체-금속-초전도체 샌드위치를 ​​형성한다는 것을 의미합니다(샘플의 대부분은 언급한 대로 금속임). 이 구조는 본질적인 "SNS-Josephson 접합"을 나타낸다고 Borisenko는 설명합니다.

조정 가능한 조셉슨 접합

그리고 이것이 전부는 아닙니다. 왜냐하면 PtBi의 상단과 하단 표면은₂ 뚜렷한 페르미 아크를 가지면 두 표면은 서로 다른 전이 온도에서 초전도성이 됩니다. 이는 해당 물질이 조정 가능한 조셉슨 접합임을 의미합니다. 이러한 구조는 민감한 자력계 및 초전도 큐비트와 같은 응용 분야에 많은 가능성을 보여줍니다.

이론적으로는 PtBi₂ 라는 준입자를 만드는 데에도 사용할 수 있습니다. 마요라나 제로 모드, 위상적 초전도성에서 비롯된 것으로 예측됩니다. 실험에서 시연된다면 차세대 양자 컴퓨터를 위한 매우 안정적이고 내결함성이 있는 큐비트로 사용될 수 있다고 Borisenko는 말합니다. “실제로 우리는 현재 순수 PtBi의 초전도 갭에서 이방성의 가능성을 조사하고 있습니다.₂ 그리고 그 안에서 위상학적 초전도성을 실현하는 방법을 찾기 위해 물질의 변형된 단결정에서 유사한 물체를 발견하려고 노력하고 있습니다.”라고 그는 말합니다. 물리 세계.

Majorana 제로 모드는 감지하기 쉽지 않지만 PtBi에서는₂ 페르미 호에서 초전도 간격이 열릴 때 나타날 수 있습니다. 그러나 이를 확인하려면 물질의 전자 구조에 대한 훨씬 더 자세한 분석이 필요할 것이라고 Borisenko는 말했습니다.

두 개의 자성 재료 결합

별도의 연구에서 펜실베니아 주립대학교 연구진은 강자성 위상 절연체와 반강자성 철 칼코게나이드(FeTe)를 함께 쌓아 올렸습니다. 그들은 두 물질 사이의 경계면에서 견고한 키랄 초전도성을 관찰했습니다. 이는 초전도성과 강자성이 일반적으로 서로 경쟁하기 때문에 예상치 못한 일이라고 연구진은 설명했습니다. 리우 차오싱.

"초전도성이 아닌 두 개의 자성 물질이 있기 때문에 실제로 매우 흥미롭습니다. 하지만 이를 함께 사용하면 이 두 화합물 사이의 인터페이스가 매우 강력한 초전도성을 생성합니다."라고 팀원은 말합니다. 장 취주. "철 칼코겐화물은 반강자성이며, 우리는 그것의 반강자성 특성이 경계면 주위에서 약화되어 새로운 초전도성을 발생시킬 것으로 예상합니다. 그러나 이것이 사실인지 확인하고 초전도 메커니즘을 명확히 하기 위해서는 더 많은 실험과 이론적 작업이 필요합니다."

Weyl 루프 연결

다시 한번 말씀드리지만, 시스템은 과학, 마요라나 물리학을 탐구하기 위한 유망한 플랫폼이 될 수 있다고 그는 말합니다.

Borisenko는 Penn State 연구진의 데이터가 "매우 흥미롭다"고 말했습니다. 그의 그룹 연구에서와 마찬가지로 Liu, Chang 및 동료들은 비록 다른 유형의 인터페이스이기는 하지만 특이한 초전도성의 증거를 발견한 것으로 보입니다. "우리 작업에서 표면은 두 재료 사이가 아닌 벌크와 진공 사이의 인터페이스입니다."라고 그는 말합니다.

Penn State 연구원들은 또한 위상학적 초전도성을 증명하는 것을 목표로 하지만 관련 재료를 함께 모아 이종 구조를 형성함으로써 보다 인위적인 방식으로 필요한 요소(대칭 파괴 및 위상학)를 추가했다고 그는 설명합니다. "우리의 경우 Weyl 반금속의 독특한 특성으로 인해 이러한 성분이 단일 재료에 자연적으로 존재합니다."

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• 출처: https://physicsworld.com/a/surface-superconductivity-appears-in-topological-materials/